浅层滑动对输电杆塔接地电阻变化特性测量与分析

岳灵平,潘少良,陈家乾,严静萍,张 鹏

(1. 国网浙江省电力有限公司湖州供电公司,浙江 湖州 313000;2. 浙江湖州电力设计院有限公司,浙江 湖州 313000)

0 引言

接地网作为输变电工程接地装置的重要组成形式,其可靠程度涉及人身和电力设备的安全[1-3]。接地电阻值作为直接反映接地装置可靠性的一个重要指标,其数值的变化存在诸多影响因素。我国地质条件较为复杂,山区输电线路杆塔周围存在边坡岩土浅层滑动等地质灾害现象,见图1。而输电杆塔接地网属于地下隐蔽设施,其所在区域地质活动造成的浅层滑动易导致其周围土壤电阻率发生改变,从而造成杆塔接地电阻的变化。

图1 输电杆塔附近浅层滑动Fig.1 Shallow sliding near transmission tower

大多数研究者注意到了地质灾害对输电走廊、变电站和发电厂等电力设施的影响[4-5]。输电走廊是重点关注的对象,地质灾害引发的输电杆塔地基不稳,直接造成杆塔变形、导线对地绝缘距离变化甚至倒塌等系列问题,一直是工程结构人员关注的重点[5-6];也有研究者注意到了滑坡、泥石流和冻土等地质灾害对输电杆塔基础的影响[7-9]。

输电杆塔接地网作为输电侧重要的防雷设施之一,接地性能和辅助接地网相关研究较多,采用仿真分析或者现场测试,来获得接地体的影响因素[10-16]。也有研究者注意到了岩土体的温度、含水率和电阻率等对接地体测量的影响[17-19]。但是对地质活动对输电杆塔接地电阻值的影响研究较少,因而笔者通过测量和分析杆塔所在地质的浅层滑动对其接地电阻值的变化,认清浅层滑动对杆塔接地电阻的作用,使以后在设计杆塔接地装置以及测量电阻时,能更全面地掌握输电线路杆塔接地网的运行状况。

1 接地电阻及土壤电阻率的测量

1.1 接地电阻的测量方法

按照标准DL/T 887-2004[20]中的三极法对输电杆塔的工频接地电阻进行测量。根据接地网的形状、地质条件、土壤成分对16基杆塔采用适宜的拉线长度进行了接地电阻进行测量,杆塔的基本参数见表1。这些杆塔都位于已发生浅层滑动的山地和坡地。

表1 被测杆塔的基本参数Table 1 Basic parameters of tested tower

1.2 土壤电阻率的测量方法

杆塔所在区域的土壤电阻率测量参考GB/T 17949-2000[21]推荐的等距四极法,其测量方法见图2,在图2中1、4 表示电流极,2、3表示电压极,d为极间距,h0为电极埋深,h1、h2分别表示滑动土、原覆土的土壤厚度,得到土壤电阻率计算公式为

图2 等距四极法土壤电阻率测量Fig.2 Soil resistivity measurement by equidistant quadrupole method

(1)

1.3 数据的处理

对在2010～2016年期间浙江地区发生过浅层滑动的16基杆塔接地电阻进行测量,获得数据没有进行季节因素的修正[17]。同时选取其中测试条件适宜的8基杆塔进行周围的土壤电阻率的测量,通改变极间距d的值,测得五组土壤电阻率取平均值。收集调研所测量线路杆塔附近的浅层滑动信息,并分析土壤成分。

2 测量结果

2.1 滑动方向对杆塔接地电阻

本研究测量的16基杆塔均处在山区或坡地。对单基输电杆塔而言,其周围地表浅层主要存在上下左右4个方向的滑动,见图3。

图3 杆塔浅层滑动方向示意图Fig.3 Schematic diagram of shallow sliding direction of tower

图5 浅层滑动对94号杆塔塔基移动方向示意图Fig.5 Schematic diagram of movement direction of No.94 tower foundation caused by shallow sliding

选取其中具有代表性的8基杆塔,通过查阅滑动前的杆塔接地电阻值和测量滑动后的接地电阻值,并在1个月后滑动土壤结构趋于稳定状态时进行复测,测量结果见表2,结果表明左右方向发生滑动的杆塔接地电阻值变化较小,上下两个方向发生滑动的杆塔接地电阻值变化较大。

表2 被测杆塔接地电阻值Table 2 Grounding resistance of tested pole tower

2.2 不同滑动形式下杆塔接地电阻测量

输电线路根据其走向会经过不同的地质环境区域,导致杆塔接地电阻变化的重要影响因素是土壤成分的改变,因此根据滑动形式按物质组成分为土质滑坡(黄土滑坡、黏土滑坡、碎屑滑坡)和基岩滑坡,测得不同滑动形式对杆塔接地电阻的变化,测得结果见表3。

表3 被测杆塔接地电阻值及土壤电阻率Table 3 Grounding resistance and soil resistivity of measured pole tower

2.3 滑动土壤形变后杆塔接地电阻测量

地表浅层滑动会带来接地体周围土壤所受压力的改变和紧密度的变化,直观表现在滑动堆积土壤高度的形变。笔者研究的30号杆塔处于丘陵地带的山坡,2015年5月测量的接地电阻值为15 Ω,2016年6月25日上午发生浅层滑动后,杆塔边坡上方土壤向下滑动约为30 m3,覆盖塔基原有表土,经检测塔基未出现位移。经检测土壤含水率高达20%。以2016年6月作为基点,对杆塔进行了一年的接地电阻测量和土壤形变高度的测量观察,接地电阻和土壤形变值见图4。

Fig.4 Variation of tower grounding resistance and sliding soil deformation

2.4 滑动能量对接地电阻的影响

输电线路杆塔接地网是一种简单的静定结构,浅层滑动时导致塔基位移或者土壤应力变化而发生位移和应变等破坏形式,主要表现为塑性屈服和脆性断裂两种类型[22]。根据材料力学的强度理论,当接地网用的角钢受到的外力上升到一定限值时,会在应力最集中的一处首先发生断裂而进入裂解状态。2016年,某220 kV 5915线94号塔上山坡浮土及岩石出现活动,滑动土石方约为80 m3。活动后碎石余土造成B号、C号塔腿由于受到侧向不平衡挤压,见5图,造成A号、B号塔基出现垂直导线方向约130 mm位移,平行导线方向约25 mm位移,C号塔基出现垂直导线方向100 mm位移,平行导线方向约10 mm位移,D号塔基两个方向出现5 mm位移。通过测量该杆塔的接地电阻值高达65 Ω,较滑动一年前的增加了57 Ω。通过基础开挖发现A-D、A-B之间的接地线均断裂,见图6,B-C之间的接地线发生严重变形。

图6 94号杆塔接地网断裂现场图Fig.6 No.94 site map of tower grounding grid fracture

3 讨论分析

3.1 滑动方向对杆塔接地电阻值影响

杆塔周围产生浅层滑动时,由于地心引力的作用,杆塔左右两侧产生的滑动土壤对杆塔冲击影响的较少,故对其接地电阻产生的变化较小。但杆塔上下浅层滑动对杆塔接地电阻影响较大,由于杆塔上滑动带来新的土壤覆盖原有坡面,使得接地极埋深增大,土壤的电流散射面积加大,在原有的接地极形状不改变的条件下,接地电阻值变小。反之,由于杆塔下方向滑动带走了原有接地网的部分覆土,从而导致接地极电阻变大。

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3.2 滑动形式对杆塔接地电阻值的影响

滑动形式对杆塔接地电阻值影响较为复杂,不同的滑动土壤物质性质对接地电阻值影响趋势也不一致。对于低土壤电阻率(≤200 Ω·m)的土质,其覆盖在原有接地网土壤上,和原有的覆土土壤电阻率接近,可视为同一性质的均匀土壤,土壤厚度增加,土壤的散流性更好,接地电阻值变小。对高土壤电阻率(>200 Ω·m的土质,如碎屑、基岩),由于和原覆土的土壤电阻率比值变大,形成了双层土壤结构,一旦发生雷击输电线路,由于高频率的雷电流对于土壤的穿透度低,同时接地网的冲击电阻特性主要受到上表层土壤电阻率的影响,新的上表层土壤电阻率的增大会导致雷电流无法快速入地从而导致跳闸事故[23-25]。而工频电流频率较低,导致其对于土壤的穿透能力远高于雷电流且主要通过下层土壤进行散流,所以影响不是十分明显[26-28]。

3.3 滑动土壤形变对杆塔接地电阻值的影响

对于滑动土壤来说,其体积的形变也是影响土壤电阻率的重要因素之一。由于突然滑动带来的土壤重量对原接地网覆土有一个压实作用,使得原覆土的土体整体性变好,土体结构愈发密实,土壤颗粒排列愈发紧实,土壤颗粒间孔隙减少[29]。见图7和图8,原覆土存在一个明显的压实过程,原覆土连通性变好,导致土壤电阻率值变小。

图 8 30号杆塔接地网原覆土孔隙率Fig.8 No.30 porosity of original covering soil of tower grounding grid

图7 30号杆塔接地网受到滑动冲击前后原覆土压实情况电镜扫描照片Fig.7 No.30 scanning electron microscope photos of compaction of original covering soil before and after sliding impact on tower grounding grid

同时滑动土壤含水率较原覆土高,易向下形成渗透效应,水分子向原覆土迁徙,导致原覆土土壤电阻率进一步降低。然而随着温度的提升和降水的减少,滑动土壤的因水分蒸发流失而形变降低,导致压实作用逐渐减小,原覆土的土壤结构间隙存在一定程度的反弹变大,土壤电阻率会缓慢抬升,杆塔接地电阻值变大,但较滑动前的接地电阻值有较大程度减少,最终整个接地电阻值随着季节性温度和降水的变化而发生变化。

3.4 滑动能量对接地网的破坏影响

输电杆塔接地网考虑到建设经济性和普适性,大多数选用镀锌钢材料来制作,镀锌钢中Q235钢材占比率较高,其材料属性见表4。通过有限元软件对2.4节中滑动事故的94号杆塔接地网受力进行模拟分析,根据杆塔塔基的结构图纸建立接地网结构有限元模型,以每根角钢作为一个受力单元,各单元之间的连接方式为刚性连接,接地网塔基有限元模型见图9。整个塔基含接地网有限元模型共包含节点89个,单元176个,着重分析与塔基连接的接地网4个单元。探究滑动促使塔基位移作用下接地网材料的受力发展过程及其失效时的变位位移,分析接地网变形情况,明确接地网的受力作用。

图 9 94号杆塔受力仿真模型图Fig.9 No.94 tower stress simulation model

表4 材料属性Table 4 Material properties

根据2.4中事故特征,考虑浅层滑动带来的塔基平行导线方向和垂直导线方向侧滑,当接地网所用角钢Q235这种塑性材料,处在水平两个方向应力条件下,其受能密度达到了材料某向拉伸屈服的畸变能密度时,其就发生屈服破坏[22]。根据文献[30]得到相应强度判断计算式:

(2)

其中α1,α2,α3分别指材料力学中的第1、第2、第3主应力。

αeq≤[α]

(3)

将接地装网各个单元受到的相应应力αeq与许用应力[α]之比的绝对值称为应力比值γ,当γ>1时,表明接地网单元所受应力超过了材料许用应力值,接地网已经发生裂解,且γ越大,裂解速度越快。当γ=1时,接地网处于临界裂解状态;当γ<1时,表明接地网的受到应力未超过材料的许用应力,处于安全状态。通过计算,得到94号杆塔与塔基连接的接地网4个主要组成单位的应力,见表5。

表5 主接地网单元应力Table 5 Unit stress of main grounding grid

接地网单元AD、AB应力比值为1.315、1.355,表明此时接地网单元受到的应力已经超过其材料许用强度的30%,已经发生弯曲大变形而折断,与实际观测结果一致,BC虽未发生断裂但已严重变形。

4 结论

根据对输电线路杆塔出现浅层滑动事故的分析,以及其接地电阻和周围土壤电阻率测量和分析,得出如下结论:

1)浅层滑动方向相对于杆塔位置不同的4个方向时,对其接地电阻的影响不相同,下边坡滑动对杆塔接地电阻负面影响最大。

2)浅层滑动带来的不同土壤成分会对输电线路杆塔接地电阻带来不同的作用,低电阻率的土壤会降低接地电阻,而高电阻率的土壤会提高冲击电阻。

3)浅层滑动土壤形变受降雨量、气温变化的影响,从而使得接地电阻呈现类似于季节性变化的特征。

4)当出现严重的浅层滑动时,不仅会对杆塔结构带来威胁,同时会对杆塔接地网产生破坏作用。